Les batteries lithium-ion sont appelées batteries de type « rocking chair ». Les ions chargés se déplacent entre les électrodes positives et négatives pour réaliser un transfert de charge et alimenter des circuits externes ou se charger à partir d’une source d’alimentation externe.

Pendant le processus de charge spécifique, la tension externe est appliquée aux deux pôles de la batterie et les ions lithium sont extraits du matériau de l’électrode positive et pénètrent dans l’électrolyte. Dans le même temps, les électrons en excès traversent le collecteur de courant positif et se déplacent vers l’électrode négative via le circuit externe; les ions lithium sont dans l’électrolyte. Il se déplace de l’électrode positive à l’électrode négative, en passant par le diaphragme jusqu’à l’électrode négative ; le film SEI traversant la surface de l’électrode négative est noyé dans la structure en couches de graphite de l’électrode négative et se combine avec les électrons.

Tout au long du fonctionnement des ions et des électrons, la structure de la batterie qui affecte le transfert de charge, qu’elle soit électrochimique ou physique, affectera les performances de charge rapide.

Les exigences de charge rapide pour toutes les parties de la batterie

En ce qui concerne les batteries, si vous souhaitez améliorer les performances énergétiques, vous devez travailler dur dans tous les aspects de la batterie, y compris l’électrode positive, l’électrode négative, l’électrolyte, le séparateur et la conception structurelle.

électrode positive

En fait, presque tous les types de matériaux cathodiques peuvent être utilisés pour fabriquer des batteries à charge rapide. Les propriétés importantes à garantir comprennent la conductivité (réduire la résistance interne), la diffusion (assurer la cinétique de réaction), la durée de vie (ne pas expliquer) et la sécurité (ne pas expliquer), des performances de traitement appropriées (la surface spécifique ne doit pas être trop grand pour réduire les réactions secondaires et assurer la sécurité).

Bien sûr, les problèmes à résoudre pour chaque matériau spécifique peuvent être différents, mais nos matériaux de cathode communs peuvent répondre à ces exigences grâce à une série d’optimisations, mais différents matériaux sont également différents :

R. Le phosphate de fer et de lithium peut être plus axé sur la résolution des problèmes de conductivité et de basse température. Réaliser un revêtement de carbone, une nanoisation modérée (notez que c’est modéré, ce n’est certainement pas une logique simple que le plus fin soit le mieux), et la formation de conducteurs ioniques à la surface des particules sont les stratégies les plus typiques.

B. Le matériau ternaire lui-même a une conductivité électrique relativement bonne, mais sa réactivité est trop élevée, de sorte que les matériaux ternaires effectuent rarement des travaux à l’échelle nanométrique (la nano-isation n’est pas un antidote de type panacée à l’amélioration des performances des matériaux, en particulier dans le domaine des batteries Il existe parfois de nombreux anti-usages en Chine), et une plus grande attention est accordée à la sécurité et à la suppression des réactions secondaires (avec l’électrolyte). Après tout, la durée de vie actuelle des matériaux ternaires réside dans la sécurité, et les récents accidents liés à la sécurité des batteries se sont également produits fréquemment. Mettre en avant des exigences plus élevées.

C. Le manganate de lithium est plus important en termes de durée de vie. Il existe également de nombreuses batteries à charge rapide à base de manganate de lithium sur le marché.

électrode négative

Lorsqu’une batterie lithium-ion est chargée, le lithium migre vers l’électrode négative. Le potentiel excessivement élevé causé par une charge rapide et un courant élevé rendra le potentiel de l’électrode négative plus négatif. À ce stade, la pression de l’électrode négative pour accepter rapidement le lithium augmentera et la tendance à générer des dendrites de lithium augmentera. Par conséquent, l’électrode négative ne doit pas seulement satisfaire la diffusion du lithium lors de la charge rapide. Les exigences cinétiques de la batterie lithium-ion doivent également résoudre le problème de sécurité causé par la tendance accrue des dendrites au lithium. Par conséquent, la difficulté technique importante du noyau à charge rapide est l’insertion d’ions lithium dans l’électrode négative.

A. À l’heure actuelle, le matériau d’électrode négative dominant sur le marché est toujours le graphite (représentant environ 90 % de la part de marché). La raison fondamentale est le bon marché, et les performances de traitement complètes et la densité énergétique du graphite sont relativement bonnes, avec relativement peu de défauts. . Bien sûr, il y a aussi des problèmes avec l’électrode négative en graphite. La surface est relativement sensible à l’électrolyte, et la réaction d’intercalation du lithium a une forte directivité. Par conséquent, il est important de travailler dur pour améliorer la stabilité structurelle de la surface du graphite et favoriser la diffusion des ions lithium sur le substrat. direction.

B. Les matériaux en carbone dur et en carbone mou ont également beaucoup évolué ces dernières années : les matériaux en carbone dur ont un potentiel d’insertion du lithium élevé et ont des micropores dans les matériaux, donc la cinétique de réaction est bonne ; et les matériaux en carbone doux ont une bonne compatibilité avec l’électrolyte, MCMB Les matériaux sont également très représentatifs, mais les matériaux en carbone dur et doux sont généralement peu efficaces et coûteux (et imaginez que le graphite est le même bon marché, je crains que ce ne soit pas le cas espoir d’un point de vue industriel), donc la consommation actuelle est bien moindre que le graphite, et plus utilisée dans certaines spécialités Sur la batterie.

C. Et le titanate de lithium ? Pour le dire brièvement : les avantages du titanate de lithium sont une densité de puissance élevée, des inconvénients plus sûrs et évidents. La densité énergétique est très faible et le coût est élevé lorsqu’il est calculé en Wh. Par conséquent, le point de vue de la batterie au titanate de lithium est une technologie utile avec des avantages dans des occasions spécifiques, mais elle ne convient pas à de nombreuses occasions qui nécessitent un coût élevé et une autonomie de croisière.

D. Les matériaux d’anode en silicium sont une direction de développement importante, et la nouvelle batterie 18650 de Panasonic a commencé le processus commercial de ces matériaux. Cependant, comment atteindre un équilibre entre la poursuite des performances nanométriques et les exigences générales au niveau du micron des matériaux liés à l’industrie des batteries est toujours une tâche plus difficile.

Diaphragme

Concernant les batteries de type puissance, le fonctionnement à courant élevé impose des exigences plus élevées en termes de sécurité et de durée de vie. La technologie de revêtement à membrane ne peut être contournée. Les diaphragmes revêtus de céramique sont rapidement repoussés en raison de leur haute sécurité et de leur capacité à consommer des impuretés dans l’électrolyte. En particulier, l’effet d’amélioration de la sécurité des batteries ternaires est particulièrement important.

Le système le plus important actuellement utilisé pour les diaphragmes en céramique consiste à enrober des particules d’alumine sur la surface des diaphragmes traditionnels. Une méthode relativement nouvelle consiste à enrober des fibres d’électrolyte solide sur le diaphragme. De tels diaphragmes ont une résistance interne plus faible et l’effet de support mécanique des diaphragmes liés aux fibres est meilleur. Excellent, et il a moins tendance à boucher les pores du diaphragme pendant le service.

Après revêtement, le diaphragme a une bonne stabilité. Même si la température est relativement élevée, il n’est pas facile de se rétracter et de se déformer et de provoquer un court-circuit. Jiangsu Qingtao Energy Co., Ltd., soutenu par le soutien technique du groupe de recherche Nan Cewen de l’École des matériaux et des matériaux de l’Université Tsinghua, a des représentants à cet égard. En fonctionnement, le diaphragme est représenté sur la figure ci-dessous.

Électrolyte

L’électrolyte a une grande influence sur les performances des batteries lithium-ion à charge rapide. Pour assurer la stabilité et la sécurité de la batterie sous charge rapide et courant élevé, l’électrolyte doit répondre aux caractéristiques suivantes : A) ne peut pas être décomposé, B) conductivité élevée, et C) est inerte vis-à-vis des matériaux positifs et négatifs. Réagir ou dissoudre.

Si vous voulez répondre à ces exigences, la clé est d’utiliser des additifs et des électrolytes fonctionnels. Par exemple, la sécurité des batteries ternaires à charge rapide en est grandement affectée et il est nécessaire de leur ajouter divers additifs anti-haute température, ignifuges et anti-surcharge pour améliorer dans une certaine mesure sa sécurité. Le problème ancien et difficile des batteries au titanate de lithium, les flatulences à haute température, doit également être amélioré par un électrolyte fonctionnel à haute température.

Conception de la structure de la batterie

Une stratégie d’optimisation typique est le type d’enroulement VS empilé. Les électrodes de la batterie empilée sont équivalentes à une relation parallèle, et le type d’enroulement est équivalent à une connexion en série. Par conséquent, la résistance interne du premier est beaucoup plus petite et convient mieux au type de puissance. occasion.

De plus, des efforts peuvent être faits sur le nombre de languettes pour résoudre les problèmes de résistance interne et de dissipation thermique. De plus, l’utilisation de matériaux d’électrode à haute conductivité, l’utilisation d’agents plus conducteurs et le revêtement d’électrodes plus minces sont également des stratégies qui peuvent être envisagées.

En bref, les facteurs qui affectent le mouvement de charge dans la batterie et le taux d’insertion des trous d’électrode affecteront la capacité de charge rapide des batteries lithium-ion.

Aperçu des itinéraires technologiques de charge rapide pour les fabricants traditionnels

ère Ningde

Concernant l’électrode positive, CATL a développé la technologie du « super réseau électronique », qui confère au phosphate de fer et de lithium une excellente conductivité électronique ; sur la surface en graphite de l’électrode négative, la technologie “fast ion ring” est utilisée pour modifier le graphite, et le graphite modifié prend en compte à la fois une charge ultra rapide et élevée. Avec les caractéristiques de densité d’énergie, l’électrode négative n’a plus de by- produits pendant la charge rapide, de sorte qu’il a une capacité de charge rapide de 4-5C, réalisant une charge et une charge rapides de 10-15 minutes, et peut assurer la densité énergétique du niveau du système au-dessus de 70wh/kg, atteignant une durée de vie de 10,000 XNUMX cycles.

En termes de gestion thermique, son système de gestion thermique reconnaît pleinement “l’intervalle de charge sain” du système chimique fixe à différentes températures et SOC, ce qui élargit considérablement la température de fonctionnement des batteries lithium-ion.

Waterma

Waterma n’est pas si bon ces derniers temps, parlons juste de technologie. Waterma utilise du phosphate de fer et de lithium avec une taille de particule plus petite. À l’heure actuelle, le phosphate de fer au lithium commun sur le marché a une taille de particule comprise entre 300 et 600 nm, tandis que Waterma n’utilise que du phosphate de fer au lithium de 100 à 300 nm, donc les ions lithium auront Plus la vitesse de migration est rapide, plus le courant peut être important. chargé et déchargé. Pour les systèmes autres que les batteries, renforcer la conception des systèmes de gestion thermique et la sécurité des systèmes.

Micro puissance

Au début, Weihong Power a choisi le titanate de lithium + carbone composite poreux avec une structure de spinelle qui peut supporter une charge rapide et un courant élevé comme matériau d’électrode négative ; Afin d’éviter la menace d’un courant de puissance élevée pour la sécurité de la batterie pendant la charge rapide, Weihong Power Combinant un électrolyte non brûlant, une technologie de diaphragme à haute porosité et haute perméabilité et la technologie de fluide de contrôle thermique intelligent STL, il peut assurer la sécurité de la batterie lorsque la batterie est chargée rapidement.

En 2017, il a annoncé une nouvelle génération de batteries à haute densité énergétique, utilisant des matériaux cathodiques au manganate de lithium de haute capacité et haute puissance, avec une densité d’énergie unique de 170wh/kg, et permettant une charge rapide de 15 minutes. L’objectif est de prendre en compte les questions de vie et de sécurité.

Zhuhai Yinlong

L’anode en titanate de lithium est connue pour sa large plage de températures de fonctionnement et son taux de charge-décharge élevé. Il n’y a pas de données claires sur les méthodes techniques spécifiques. En parlant au personnel de l’exposition, il est dit que sa charge rapide peut atteindre 10 °C et que sa durée de vie est de 20,000 XNUMX fois.

L’avenir de la technologie de charge rapide

Que la technologie de recharge rapide des véhicules électriques soit une direction historique ou un phénomène de courte durée, en fait, les opinions divergent maintenant et il n’y a pas de conclusion. En tant que méthode alternative pour résoudre l’anxiété liée au kilométrage, elle est considérée sur la même plate-forme avec la densité d’énergie de la batterie et le coût global du véhicule.

La densité d’énergie et les performances de charge rapide, dans la même batterie, peuvent être considérées comme deux directions incompatibles et ne peuvent pas être atteintes en même temps. La poursuite de la densité énergétique de la batterie est actuellement le courant dominant. Lorsque la densité d’énergie est suffisamment élevée et que la capacité de la batterie d’un véhicule est suffisamment grande pour éviter ce que l’on appelle « l’anxiété d’autonomie », la demande de performances de charge de la batterie sera réduite ; en même temps, si la puissance de la batterie est importante, si le coût de la batterie par kilowattheure n’est pas assez bas, alors est-ce nécessaire ? L’achat par Ding Kemao d’une électricité suffisante pour les « non anxieux » oblige les consommateurs à faire un choix. Si vous y réfléchissez, la charge rapide a de la valeur. Un autre point de vue est le coût des installations de recharge rapide, qui fait bien sûr partie du coût de l’ensemble de la société pour promouvoir l’électrification.

Si la technologie de charge rapide peut être promue à grande échelle, la densité énergétique et la technologie de charge rapide qui se développent rapidement, et les deux technologies qui réduisent les coûts, peuvent jouer un rôle décisif dans son avenir.